聚合物减阻剂微观减阻机理研究

刘晓瑞，周福建，石华强，刘致屿，丁 里，杨 钊

（1. 长庆油田分公司油气工艺研究院 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710000；2. 中国石油大学（北京） 非常规天然气研究院，北京 102200）

聚合物减阻剂微观减阻机理研究

刘晓瑞1，周福建2，石华强1，刘致屿2，丁 里1，杨 钊2

（1. 长庆油田分公司油气工艺研究院 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710000；2. 中国石油大学（北京） 非常规天然气研究院，北京 102200）

配制了不同浓度的减阻剂溶液，利用TEM技术对减阻剂溶液的微观结构进行了表征，采用高精度环路摩阻测试系统对不同微观结构特征的减阻剂溶液进行了减阻性能测试。表征结果显示，减阻剂溶液的主要微观结构为：分散颗粒结构、半连续/非连续棒状结构、连续网眼状结构和堆叠网眼状结构。低流速下，分散颗粒结构特征的减阻剂表现出较好的减阻性能；高流速下，连续网眼状结构特征的减阻剂具有更好的减阻性能；过度堆叠网眼状结构特征的减阻剂虽具有良好的抗剪切性能，但在低速与高速下均不能发挥良好的减阻性能。现场施工中井深较浅、施工排量小的井，适合选用分散颗粒结构的减阻剂；而井深较深、排量较大的井，则适合选用连续网眼状结构的减 阻剂。利用减阻剂微观结构与减阻性能之间的关系可进行减阻剂的选型及结构优化。

聚合物减阻剂；压裂液；微观减阻机理

近年来随着页岩气超深井及体积压裂规模的不断提升，滑溜水压裂液的流体摩阻压耗已引起众多学者的关注，适用于滑溜水压裂液的减阻剂性能已成为影响压裂施工效果的重要因素［1-2］。针对减阻剂减阻机理虽存在众多理论但并未形成统一认识［3-4］。现有研究主要包括以下几个方面：集中在流体力学领域的，减阻剂对宏观流体流动状态改变的研究，其代表是边界层理论［5-7］；针对流动中的湍流结构进行了统计，认为减阻剂的加入改变了湍流结构从而降低了流动能量消耗，其代表是湍流抑制学说［8-9］。高分子物理化学领域的研究则从微观层面的减阻剂结构本身入手，认为减阻效果与高分子聚合物加入到湍流流体时柔性结构发生变化有关，其代表是黏弹减阻理论［10］。近年来，更多学者开始将减阻剂分子结构特征与宏观流动变化结合起来，对减阻机理进行研究［11-12］。国内外对减阻剂的研究取得了大量的成果，但其中侧重微观减阻机理的研究报道较少。从实验方法看，已有的减阻机理研究实验宏观上多使用环路摩阻测试系统，侧重现场应用及性能评价，而对减阻机理的分析相对不足［11］；微观上则是对静态条件下的滑溜水压裂液微观结构进行观察描述，并未建立微观结构与减阻性能的有效联系［13-15］。

本工作配制了不同浓度的减阻剂溶液，利用TEM技术对减阻剂溶液的微观结构进行了表征，采用高精度环路摩阻测试系统对不同微观结构特征的减阻剂溶液进行了减阻性能测试。建立了减阻剂微观结构与减阻性能之间的有效联系，为减阻剂的结构优化和选型提供了理论依据。

1 实验部分

1.1 仪器

日本电子公司JEM-100CX型透射电子显微镜。

高精度环路摩阻测试系统为自主设计校核安装，结构见图1。主要由供液系统、螺杆泵、U形管路及数字采集系统组成。液灌容积70 L，螺杆泵最大排量2.5 m3/min，U形管路直管段长度3 m，弯管段2 m，总长8 m，管路内径为6.32 mm。为提高减阻率测试精度，对设备的供液系统及动力输送进行了改进。改进后的供液系统由3个液罐组成，分别储存测试溶液、回流溶液和清水，可有效消除测试液体间的相互干扰。动力输送改为螺杆泵，可有效消除泵对微观结构的剪切破坏。该设备可准确测量相同流动条件下的清水摩阻及减阻剂溶液摩阻，提高了实验测量的精度。

图1 高精度环路摩阻测试系统Fig.1 Turbulent flow loop system for testing frictional resistance.A Supply and drainage system；B Pipeline friction testing system；C1，C2，C3 Data acquisitions；D Processing system

1.2 原料

减阻剂为阴离子型聚合物乳状液减阻剂DR-800（胜利化工有限责任公司），主要有效成分为聚丙烯酰胺共聚物，相对分子质量约为6×106。将减阻剂配制成含量（w）分别为0.01%，0.03%，0.05%，0.07%的减阻剂溶液并分别记为FR-1，FR-2，FR-3，FR-4。实验用水均为自来水。

1.3 减阻剂微观结构分析

使用TEM技术分析不同减阻剂溶液的微观结构特征。在观察时，控制放大倍数逐渐增大，尤其是较高放大倍数下，避免长时间照射同一区域，防止电子束持续轰击导致聚合物减阻剂形态发生变化；研究中需记录低倍及高倍下的减阻剂溶液微观结构观察结果，方便进行对比；观察不同减阻剂溶液的微观结构时，控制放大倍数尽可能相同或相近，使不同微观结构的特征形成有效对比。

1.4 减阻性能的测试

在微观结构研究基础上，采用高精度环路摩阻测试系统对不同微观结构特征的减阻剂溶液进行减阻性能测试。

减阻性能主要通过减阻率（DR）进行表征，减阻率可通过测试管路两端的摩阻压降计算［9］，分别测试清水流过直管段时的摩阻压降和相同流动条件下减阻剂溶液流过相同直管段的摩阻压降，根据式（1）计算减阻率：

式中，Δp为清水摩阻压降，Pa；ΔpDR为减阻剂溶液摩阻压降，Pa。

2 结果与讨论

2.1 减阻剂溶液微观结构的表征

减阻剂微观结构可归纳为：分散颗粒结构、半连续及非连续棒状结构、连续网眼状结构及堆叠网眼状结构。

2.1.1 分散颗粒结构的表征结果

FR-1减阻剂溶液的TEM照片见图2。从图2可看出，FR-1减阻剂溶液呈分散颗粒结构。这是由于FR-1减阻剂的有效成分较少，颗粒间未形成有效的连接，以非连续的颗粒状态存在溶液中。大部分颗粒直径较小，且分散程度较高，分布没有一定的规律性，但较均匀。

图2 FR-1减阻剂溶液的TEM照片Fig.2 TEM image of the FR-1 drag reducer. FR-1：w(drag reducer)= 0.01%.

2.1.2 半连续及非连续棒状结构的表征结果

FR-2减阻剂溶液的TEM照片见图3。

图3 FR-2减阻剂溶液的TEM照片Fig.3 TEM image of the FR-2 drag reducer. FR-2：w(drag reducer)= 0.03%.

从图3可看出，FR-2减阻剂溶液呈半连续及非连续棒状结构。因为FR-2减阻剂的有效成分较FR-1有所增加，但减阻剂在溶液中仍以颗粒状分散分布为主，有部分颗粒开始出现交接形成棒状结构。棒状结构主要以非连续状态独立存在于溶液中，其中只有少部分为连续的存在状态，这一少部分聚集体相互连接形成了近似网眼特征的结构。

2.1.3 连续网眼状结构的表征结果

FR-3减阻剂溶液的TEM照片见图4。从图4可看出，FR-3减阻剂溶液呈连续网眼状结构，这是由于减阻剂有效成分增多，在溶液中相互交接形成了一定网状结构。网眼尺寸大小不一，但相互相连的网状结构具有较强的稳定性。

图4 FR-3减阻剂溶液的TEM照片Fig.4 TEM image of the FR-3 drag reducer. FR-3：w(drag reducer)= 0.05%.

2.1.4 堆叠的网眼状结构的表征结果

FR-4减阻剂溶液的TEM照片见图5。从图5可看出，FR-4减阻剂溶液呈堆叠的网眼状结构。因为FR-4减阻剂的有效成分过多，减阻剂颗粒在空间上出现了相互缠绕和堆积。TEM表征结果还显示，构成网眼结构的聚集体结构更强，所围成的网眼尺寸变小，但分布更加密集。

图5 FR-4减阻剂溶液的TEM照片Fig.5 TEM image of the FR-4 drag reducer. FR-4：w(drag reducer)= 0.07%.

2.2 减阻性能

2.2.1 分散颗粒结构的减阻性能

FR-1减阻剂的减阻性能变化曲线见图6。从图6可看出，FR-1减阻剂溶液的减阻率随流速的增加呈先上升后下降的趋势。由于FR-1减阻剂为分散颗粒状结构，在溶液中具有较好的分散性，有效减阻成分在溶液中分布均匀，从而利于发挥减阻作用。但由于颗粒状聚集体分散且不连续，聚合物未形成稳定的结构，不能有效储存溶液流动过程中湍流的能量，所以随流速的进一步提高减阻性能迅速下降。说明该微观结构特征的减阻剂溶液适用于低流速。结合现场施工的实际条件，该分散剂结构特征的减阻剂可作为现场井深条件较浅、施工排量小压裂井的压裂液减阻剂。

图6 FR-1减阻剂的减阻性能变化曲线Fig.6 Drag reduction ratio of the FR-1 drug reducer.

2.2.2 半连续及非连续棒状结构的减阻性能

FR-2减阻剂的减阻性能变化曲线见图7。

图7 FR-2减阻剂减阻性能变化曲线Fig.7 Drag reduction ratio of the FR-2 drag reducer.

从图7可看出，FR-2减阻剂溶液的减阻率在低流速初始阶段较FR-1减阻剂溶液有所下降，但随流速的升高，减阻率迅速升高；当流速升高到一定程度时减阻率开始出现缓慢下降的趋势，但整体变化不大；当流速为9～11 m/s时，减阻率最大，即减阻性能最优。这是因为，半连续及非连续棒状结构的减阻剂在溶液中形成的聚集体较多，使溶液黏度上升，流动阻力增多，因此初期减阻性能下降。但棒状结构相比颗粒状结构具有更好的抗剪切性能，可承受流速升高造成的破坏，所以该微观结构特征的减阻剂溶液适用于流速较高的减阻流动。结合现场施工实际条件，半连续及非连续棒状结构特征的减阻剂适用于作为现场井深条件增加、施工排量更大压裂井的压裂液添加剂。

2.2.3 连续网眼状结构的减阻性能

FR-3减阻剂的减阻性能变化曲线见图8。

图8 FR-3减阻剂的减阻性能变化曲线Fig.8 Drag reduction ratio of the FR-3 drug reducer.

从图8可看出，FR-3减阻剂的减阻率随流速升高呈逐步上升的趋势，当流速为12～15 m/s时，减阻剂达到最优减阻性能。这是因为，FR-3为连续网眼状结 构，相互连接的网状结构会使溶液黏度提升，导致管路中的流动阻力增加；同时，由于流速较低时这种空间网状结构无法很好地展布开，所以低流速时该结构特征的减阻剂不能表现较好的减阻性能；但随着流速的提高，网状结构在湍流作用下拉伸并展布，促进了减阻作用的发挥；同时由于网状结构具有较强的稳定性，并能有效承受流速提高造成的剪切破坏，所以流速进一步升高时减阻率未出现明显下降的现象。在实验所达到的流动条件下，整个流速增加过程中均表现出较好的减阻性能。因此连续网眼状结构特征的减阻剂能满足更高流速条件下的减阻需求。结合现场施工的实际条件，连续网眼状结构特征的减阻剂适用作为现场井深条件深、施工排量大、水平分段级数多等特点井的压裂液添加剂。

2.2.4 堆叠网眼状结构的减阻性能

FR-4减阻剂的减阻性能变化曲线见图9。对比图9与图8可知，FR-4减阻剂溶液的减阻率随流速变化的规律与连续网眼结构减阻剂相似，但在低流速初始阶段和高流速阶段的减阻率均比FR-3有所下降。在实验条件能达到的最高流速条件下也未出现减阻率下降的明显拐点，当流速为12～15 m/s时，减阻剂达到最优减阻性能。由此可知，过度堆叠的网状结构在低流速与高流速条件下均不利于减阻剂性能的发挥。在溶液中减阻剂形成的网状结构太强，网眼密度过高也同样会影响减阻性能，因此该微观结构特征的减阻剂不适合作为现场井深条件浅，施工排量小的压裂井的压裂液添加剂。施工过程中该特征减阻剂的减阻性能得不到最好的发挥，而且增加了储层伤害的风险，影响压裂改造效果。

图9 FR-4减阻剂的减阻性能变化曲线Fig.9 Drag reduction ratio of the FR-4 drag reducer.

综合上述实验结果论及相关减阻理论研究成果［9，13］发现，减阻剂的微观结构是影响减阻性能的关键，而微观结构中网状结构的强弱和稳定性决定了减阻性能的好坏。分散颗粒状结构减阻剂的初始减阻性能好，但减阻性能稳定性差；堆叠网眼状结构的减阻剂初始减阻性能差，且流动中不利于减阻性能的发挥；当减阻剂形成连续的网状结构时，初始减阻性能好，且随流速升高很快达到最优减阻率，并具有较好的稳定性。

2.3 现场应用

通过分析不同流速下的最优减阻率及相应的微观结构特征，绘制不同流速下的最优减阻率曲线（见图10）。从图10可看出，当流速为5～8 m/s时，减阻剂溶液能达到的最高减阻率为75.3%，对应的减阻剂微观结构特征为分散颗粒结构；当流速为9～11 m/s时，减阻剂溶液能达到的最高减阻率为74.4%，对应的减阻剂微观结构特征为半连续及非连续棒状结构；当流速为12～15 m/s时，减阻剂溶液能达到的最高减阻率为75.7%，对应的减阻剂微观结构特征为连续网眼状结构。

图10 不同流速下的最优减阻率曲线Fig.10 The best drag reduction ratio at different flowrate.

现场施工过程中，井内的流动条件是由井深、管柱尺寸及施工排量等因素决定的，而减阻剂溶液的减阻性能受流速变化的影响明显。将实验结果与现场实际情况相结合，得到减阻剂溶液在不同井深、管柱尺寸、排量条件下，发挥最优减阻性能时的减阻剂微观结构特征（见表1）。从表1可知，当井深较浅（1 000 m）、排量较小（1～2 m3/min）时，分散颗粒结构的减阻剂溶液具有最优的减阻效果；而井深较深（5 000 m）、排量较大（5 m3/min）时，连续网眼状结构的减阻剂溶液减阻效果最优。针对涪陵、焦石坝等地典型的页岩气超深井，多为大排量施工，考虑到减阻剂在管柱内流动时间较长，剪切破坏严重，可选用堆叠的网眼状结构减阻剂控制减阻性能下降。

表1 不同施工条件下的最优减阻剂特征Table 1 The best drag reducer structure under various field conditions

3 结论

1）减阻剂溶液微观结构可分为：分散颗粒结构、半连续/非连续棒状结构、连续网眼状结构以及堆叠网眼状结构。

2）减阻剂的微观结构是影响减阻性能的重要因素。低流速下，分散颗粒结构特征的减阻剂表现出较好的减阻性能；而高流速下，连续网眼状结构特征的减阻剂具有更好的减阻性能；过度堆叠网眼状结构特征的减阻剂虽然具有良好的抗剪切性能，但在低流速与高流速下均不能发挥最好的减阻性能。

3）现场施工中井深较浅、施工排量小的井，适合 选用分散颗粒结构的减阻剂；而井深较深、排量较大的井，则适合选用连续网眼状结构的减阻剂。针对涪陵、焦石坝等地典型的页岩气超深井，可选用堆叠的网眼状结构减阻剂。

［1］ Aften C W. Friction reducers fresh rheological insights married to performance［J］.DOI：10. 2118/171025-MS.

［2］ 刘通义，向静，赵众从，等. 滑溜水压裂液中减阻剂的制备及特性研究［J］.应用化工，2013，42（3）：484-487.

［3］ Bell C E，Brannon H D. Redesigning fracturing fl uids for improving reliability and well performance in horizontal tight gas shale applications［J］.DOI：10. 2118/140107-MS.

［4］ 朱军剑，张高群，乔国锋，等. 页岩气压裂用滑溜水的研究及中试应用［J］.石油化工应用，2013，32（11）：25-26.

［5］ Wu Q，Ma Y，Sun Y，et al. The flow behavior of friction reducer in microchannels during slickwater fracturing［J］.DOI：10. 2118/164476-MS.

［6］ Fu Z G，Iwaki Y C，Motozawa M，et al. Characteristic turbulent structure of a modif i ed drag-reduced surfactant solution flow via dosing water from channel wall［J］.Int J Heat Fluid Flow，2015，53（2）：135-145.

［7］ Ding D H，Yang S Q. Drag-reducing fl ows in laminar-turbulent transition region［J］.J Fluid Eng，2014，136（10 ）：2-3.

［8］ Aften C，Paktinat J，O’Neil B. Critical evaluation of biocidefriction reducers interactions used in shale fl owback slickwater fracs［J］.Int Sym Oilf i eld Chem，2011（2）：668-688.

［9］ Cheng Y. Impact of water dynamics in fractures on the performance of hydraulically fractured wells in gas-shale reservoirs［J］.J Can Petrol Technol，2012，51（2）：143-151.

［10］ Stephane J，Jérôme A，Philippe R C，et al. Degradation（or lack thereof） and drag reduction of HPAM solutions during transport in turbulent flow in pipelines［J］.DOI：10. 2118/169699-PA.

［11］ 朱怀江，赵常青，罗健辉，等. 聚合物水化分子的微观结构研究［J］.电子显微学报，2005，24（3）：205-209.

［12］ 朱怀江，罗健辉，隋新光，等. 新型聚合物溶液的微观结构研究［J］.石油学报，2006，27（6）：80-82.

［13］ 肖博，张士诚，雷鑫，等. 页岩气藏清水压裂减阻剂优选与性能评价［J］.油气地质与采收率，2014，21（2）：102-103.

［14］ 张瑞，叶仲斌，罗平亚. 原子力显微镜在聚合物溶液结构研究中的应用［J］.电子显微学报，2010，29（5）：475-479.

［15］ 曲彩霞，李美蓉，曹绪龙，等. 原子力显微镜与动态光散射研究疏水缔合聚丙烯酰胺微观结构［J］.高分子通报，2013（6）：57-60.

（编辑 邓晓音）

Study on the micro drag-reduction mechanism of polymer drag reducers

Liu Xiaorui1，Zhou Fujian2，Shi Huaqiang1，Liu Zhiyu2，Ding Li1，Yang Zhao2
（1. Oil & Gas Technology Research Institute of PetroChina Changqing Oilf i eld Company，State Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeability Oil & Gas Fields，Xi’an Shaanxi 710000，China；2. The Unconventional Natural Gas Institute，China University of Petroleum(Beijing)，Beijing 102249，China）

The microstructures of the drag reducer(DR-800) solutions with slick-water were characterized by means of TEM and their drag reduction performances were investigated. The results indicated that，at low fl owrate，the drag reducer solution with a dispersed grain structure showed a good drag reduction performance；at high fl owrate，the drag reducer solution with a network structure and certain mesh size showed a good drag reduction performance. The drag reducer solution with the dispersed grain structure is suitable for shallow wells and the drag reducer solution with the network structure is suitable for deep wells. The results in field test were consistent with the results of the laboratory test.

polymer drag reducer；fracturing fl uid；micro drag-reduction mechanism

1000-8144（2017）01-0097-06

TE 35

A

10.3969/j.issn.10 00-8144.2017.01.014

20 16-06-22；［修改稿日期］2016-10-28。

刘晓瑞（1982—），吉林省长春市人，大学，工程师，电话 029-86590661，电邮 lxr8_cq@petrochina.com.cn。

国家石油勘探开发重点实验室项目（PRP/indep-4-1314）；低渗透油气田勘探开发国家工程实验室项目（15YL2-FW-002）；中国石油大学科学基金项目（2462014YJRC015）。